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初中物理光学-光速的测量
光速是物理学中最重要的基本常数之一，也是所有各种频率的电磁波在真空中的传播速度．狭义相对论认为：任何信号和物体的速度都不能超过真空中的光速．在折射率为n的介质中，光的传播速度为：v=c/n．在光学和物理学的发展历史上，光速的测定，一直是许多科学家为之探索的课题．许多光速测量方法那巧妙的构思、高超的实验设计一直在启迪着后人的物理学研究．历史上光速测量方法可以分为天文学测量方法、大地测量方法和实验室测量方法等
一、光速测定的天文学方法
1．罗默的卫星蚀法
光速的测量，首先在天文学上获得成功，这是因为宇宙广阔的空间提供了测量光速所需要的足够大的距离．早在1676年丹麦天文学家罗默（16441710）首先测量了光速．由于任何周期性的变化过程都可当作时钟，他成功地找到了离观察者非常遥远而相当准确的时钟，罗默在观察时所用的是木星每隔一定周期所出现的一次卫星蚀．他在观察时注意到：连续两次卫星蚀相隔的时间，当地球背离木星运动时，要比地球迎向木星运动时要长一些，他用光的传播速度是有限的来解释这个现象．光从木星发出（实际上是木星的卫星发出），当地球离开木星运动时，光必须追上地球，因而从地面上观察木星的两次卫星蚀相隔的时间，要比实际相隔的时间长一些；当地球迎向木星运动时，这个时间就短一些．因为卫星绕木星的周期不大（约为1.75天），所以上述时间差数，在最合适的时间（上图中地球运行到轨道上的A。
高中物理实验教案：测定光速的方法探究一、引言在高中物理课程中，学生们经常会遇到实验探究的任务。
其中一个重要的实验就是测定光速的方法探究。
光速是光在真空中传播的速度，它具有极高的数值（约为300,000,000米/秒），对于科学研究和现代技术发展具有重要意义。
本文将介绍几种测定光速的方法，并分析其原理与步骤。
二、第一种方法：菲涅尔透镜法1. 实验原理菲涅尔透镜法利用透镜成像的特性，通过测量物体移动的距离和时间来计算出光速。
2. 实验步骤a. 准备一块平面玻璃，上面放置一个小孔，以使光线从小孔射入。
b. 在玻璃上竖直固定一个透明尺垂直于光线方向。
c. 放置一个可移动标志物，如纸片，在尺上。
d. 使用一台钟表记录标志物在移动过程中所需时间。
e. 通过改变尺与玻璃板之间的距离来改变焦距。
f. 测量不同焦距下标志物所需时间。
3. 结果分析根据焦距和时间的数据，可以绘制出一条直线，通过这条直线找到焦距为零时标志物所需要的时间。
此时，光线射入玻璃板之前被透明尺阻挡一段时间，而在通过玻璃板后又被阻挡相同的时间。
因此，在推导公式中可以剔除这部分时间。
最终，根据测量得到的数据计算出光速。
三、第二种方法：费曼反射法1. 实验原理费曼反射法利用光在不同介质中传播时发生折射和反射现象的特点进行测定光速。
2. 实验步骤a. 准备一块平行透明介质（如平行板）。
b. 在平行介质上放置一个小孔，并将其作为起始点。
c. 向小孔方向射入一束光线，使其与平行板碰撞。
d. 观察经过平行板后形成的反射和折射现象。
e. 根据观察结果记录下相应数据，并注意测量过程中可能产生的误差。
3. 结果分析通过实验观察可以得到光在不同介质中传播的现象，其中包括光线的折射和反射。
根据折射公式和反射公式，可以推导出光在两个介质之间传播速度的比值。
从而得到光速。
四、第三种方法：李萨如图法1. 实验原理李萨如图法是一种通过利用频率和波长之间关系测定光速的方法。
2. 实验步骤a. 准备两个正交的振动电极。
31. 测定光速的实验方法1． 1．斐索齿轮法1849年，斐索第一个不用天文观察，而在地面上的实验装置中测得光速。
此法实质上与伽利略提出的方法一致，不过用反射镜代替了第二个观察者，旋转的齿轮代替了用手启闭的开关。
换言之，即用反射镜保证行至第二观察者〔直〕的信号能立即返回。
并用齿轮来较准确的测定时间。
齿轮法的装置如图4所示。
光自垂直于图面的狭缝状光源s 出发，经过透镜L 和有半镀银面的平板M 1，而会聚于F 点。
在F 点所在的平面内，有一个旋转速度可变的齿轮W ，它的齿隙不遮光，而它的齿却能遮住所有会聚于F 点的光。
通过了齿隙的光，经过透镜L 1后成为平行光，透镜L 2将此平行光会聚在它自己焦点上的凹面反射镜M 2的外表上。
光至反射镜M 2后被反射沿原路回来。
如果在光由F 到M 2的一个往返的时间间隔Δt 内，齿轮所旋转的角度正好使齿隙被齿所代替，那么由M 2反回的光受阻，在透镜L 3后E 处看不见光；反之，如果齿隙被另一齿隙所代替，那么在E 处能看见由M 2反回来的光。
这样，当齿轮转速由零而逐渐加快时，在E 处将看到闪光。
当齿轮旋转而达第一次看不见光时，必定是图4中的齿隙1为齿a 所代替。
设齿轮此时的转速为每秒v 圈，齿数为n ，那么a 转到1所需的时间间隔另一方面，在此时间内光由F 到M 2，又由M 2返回到F ，走了路程2L,即 c L t 2=∆ vt η 2 1= ∆比拟所得的两式，那么有C = 4nL v。
〔4〕斐索用齿数720的齿轮，取2L等于1.7266×105米，发现第一次看不见光时齿轮的旋转速度为每秒12.6圈，测得光速为3.15×108米／秒。
这个实验中主要的误差是很难准确地定出看不见光的条件，因为齿有一定的宽度，当F不正好在齿的中央时光也能被遮住。
斐索之后，还有考纽〔1874〕，福布斯〔Forbes〕，以及珀罗汀〔Perotin〕等人先后改良了这个实验，所得结果均在2.99×l08和3.01×108米／秒的范围内。
实验三十六 光拍频法测量光速光速是物理学中重要的常数之一。
由于它的测定与物理学中许多基本的问题有密切的联系，如天文测量，地球物理测量，以及空间技术的发展等计量工作的需要，对光速的精确测量显得更为重要，它已成为近代物理学中的重点研究对象之一。
17世纪70年代，人们就开始对光速进行测量，由于光速的数值很大，所以早期的测量都是用天文学的方法。
到了1849年菲索利利用转齿法实现了在地面实验室测定光速，其测量方法是通过测量光信号的传播距离和相应时间来计算光速的。
由于测量仪器的精度限制，其精度不高。
而19世纪50年代以后，对光速的测量都采用测量光波波长λ和它的频率f 。
由c=f ·λ得出光的传播速度。
到了20世纪60年代，高稳定的崭新光源激光的出现，使光速测量精度得到很大的提高，目前公认的光速度为(299792458±1.2)m/s ，不确定度为4×10-9。
测量光速的方法很多，本实验采用声光调制形成光拍的方法来测量。
实验集声、光、电于一体。
所以通过本实验，不仅可以学习一种新的测量光速的方法，而且对声光调制的基本原理，衍射特性等声光效应有所了解，并通过实验掌握光拍频法测量光速的原理与方法。
[实验目的]1. 了解声光效应的应用。
2. 掌握光拍法测量光速的原理与方法。
[实验原理]本实验采用声光调制器产生具有一定频差、重叠在一起的两光束，从而方便地获得光拍频的传播。
通过光电倍增管检测光拍信号，用示波器比较光拍传播空间两点的位相，从而测量激光在空气中的传播速度。
一、 光拍的形成和传播光是一种电磁波，根据振动叠加原理，频率较大而频率差较小、速度相同的两同向传播的简谐波相叠加即形成拍。
若有振幅同为E 0、圆频率分别为ω1和ω2（频差Δω=ω2-ω1较小）的两列沿x 轴方向传播的平面光波，波动方程为：)cos(11101ϕω+-=x k t E E )cos(22202ϕω+-=x k t E E式中11/2λπ=k ，22/2λπ=k 为波数，1ϕ和2ϕ分别为两列波在坐标原点的初位相。
测定光速的方法及精度分析光速是一个具有重要物理特性的常数，它被定义为在真空中光在单位时间内通过的距离。
光速的准确测定对于物理学领域的研究至关重要。
本文将介绍一些测定光速的方法，并分析它们的精度。
第一种方法是利用干涉仪测光速。
干涉仪是一种能够利用光的波动性进行测量的仪器。
我们可以利用干涉仪的原理，将一束光分成两束，并使它们在不同的光程差下重新相遇。
通过测量这些重新相遇的条件，我们可以计算出光速。
这种方法的精度较高，可以达到百万分之一的准确度。
然而，该方法需要精密的仪器和实验设置，并且对实验环境的要求非常高。
第二种方法是利用频率和波长的关系进行测量。
根据光速的定义，光的速度等于光的频率乘以波长。
因此，我们可以通过测量光的频率和波长来计算光速。
这种方法在实际应用中非常常见，例如，通过激光测量器测量光的频率和波长，然后利用光速的定义求解光速。
这种方法的精度依赖于测量频率和波长的仪器的精度。
对于高精度的设备，可以达到百万分之几的准确度。
第三种方法是利用光的折射现象进行测量。
光在媒质中传播时会发生折射，其折射率与光速有直接关系。
通过测量光在不同介质中的传播速度，我们可以计算出光的速度。
这种方法不需要太多复杂的仪器和实验设置，因此更容易实施。
然而，它需要准确测量光的入射角度和折射角度，所以精度相对较低。
除了这些直接测量方法，还有一些间接方法可以用来测定光速，例如利用电磁波传播的速度等。
这些方法在特定领域有着重要的应用，并且也为测定光速提供了一些参考值。
在进行光速测量时，我们还需要考虑误差源和精度。
光速的测量结果可能受到实验仪器的精度、环境因素、人为误差等多种因素的影响。
因此，为了提高测量结果的精度，我们需要仔细控制这些误差源，并进行适当的修正。
此外，光速的精确测量对于科学研究和技术发展具有重要意义。
它不仅能帮助我们更好地理解光的本质和相对论物理，还可以应用于天文学、光学技术和通信工程等领域。
通过不断改进测量方法和提高测量精度，我们可以更加准确地获得光速的数值，为相关领域的发展贡献力量。
一、实验目的1. 了解光速的测量原理和方法。
2. 通过实验验证光速的数值。
3. 培养学生实验操作技能和数据处理能力。
二、实验原理光速的测量通常采用光在真空中传播的距离与时间的关系来计算。
根据光速公式 c = d/t，其中 c 为光速，d 为光在真空中传播的距离，t 为光传播所用的时间。
本实验采用光在空气中的传播速度来近似真空中的光速，通过测量光在空气中的传播距离和时间，从而计算出光速的数值。
三、实验器材1. 红外线激光器2. 秒表3. 光电门4. 线路连接线5. 实验桌四、实验步骤1. 将红外线激光器固定在实验桌上，调整激光器的方向，使其激光束通过光电门。
2. 将光电门与秒表连接，并确保连接牢固。
3. 打开秒表，让激光束通过光电门，记录下秒表的起始时间。
4. 再次打开秒表，让激光束通过光电门，记录下秒表的结束时间。
5. 重复步骤3和4，共进行5次实验，记录每次实验的起始时间和结束时间。
6. 计算每次实验的光速值，取平均值作为最终结果。
五、实验数据实验次数 | 起始时间（s） | 结束时间（s） | 光速（m/s）--------------------------------1 | 0.00 | 0.0032 | 31250002 | 0.00 | 0.0031 | 31250003 | 0.00 | 0.0030 | 31250004 | 0.00 | 0.0033 | 31250005 | 0.00 | 0.0032 | 3125000六、数据处理根据实验数据，计算每次实验的光速值，并取平均值：平均光速 = (3125000 + 3125000 + 3125000 + 3125000 + 3125000) / 5 = 3125000 m/s七、实验结果分析本次实验中，通过测量光在空气中的传播距离和时间，计算出光速的平均值为3125000 m/s。
由于实验条件限制，实际光速可能与该值存在一定误差。
光速的测量（位相法）光在真空中的传播速度是一个重要的基本物理常数，许多重要的物理概念和物理量都与它有着密切的联系。
例如光谱学中的里德堡常数，电子学中真空磁导率与真空电导率之间的关系，普朗克黑体辐射公式中的第一辐射常数、第二辐射常数，质子、中子、电子等基本粒子的质量等常数都与光速c相关。
现在，光在一定时间中走过的距离已经成为一切长度测量的单位标准，即“米的长度等于真空中光在1/299,792,458秒的时间间隔中所传播的距离。
”光速也已直接用于距离测量，如天文学中的光年。
1676年丹麦天文学家罗默通过观测木星对其卫星的掩食首次测量了光速。
自此以后，在各个时期，人们都用当时最先进的技术和方法来测量光速，先后有旋转齿轮法、转镜法、克尔盒法、变频闪光法等光速测量方法。
1941年，美国人安德森利用克尔盒作为光开关，调制光束，测得光速值为2.99766×108m/s。
1952年，英国物理学家费罗姆用微波干涉仪法测量光速，测得光速值为299792.50±0.10km/s。
1973年和1974年，美国国家标准局和美国国立物理实验室用激光对光速作了测定，测得光速分别为299792.4574±0.0011km/s和299792.4590 ±0.008 km/s。
实验目的掌握一种新颖的光速测量方法，了解和掌握光调制的一般性原理和基本技术。
实验原理物理学告诉我们，任何波的波长是波在一个周期内传播的距离，而波的频率是指1秒种内发生了多少次周期振动，用波长乘以频率得1秒钟内波传播的距离，即波速：c = λ• f (1)图1 两列不同的波图1中，第1列波在1秒内经历3个周期，第2列波在1秒内经历1个周期，在1秒内二列传播相同距离，所以波速相同，只是第2列波的波长是第1列的3倍。
利用这种方法，很容易测得声波的传播速度，但直接用来测量光波的传播速度，还存在很多技术上的困难。
主要是光的频率高达1014Hz ，目前的光电接收器无法响应频率如此高的光强变化，迄今仅能响应频率在108Hz 左右的光强变化并产生相应的光电流。
光速的测定
从十七世纪起，科学家们就想在地面上用实验的方法来测定光速，但是没能成功，因为光的传播速度实在太快。
后来，人们利用天体的运动，来测量光的速度，获得了初步成功。
到了十九世纪，实验工作者又想利用实验室的设备来测定光速，最初是惠斯通提出的。
1834年，英国物理学家惠斯通（C．Wheatstone，1802～1875）就用旋转镜来测定电火花持续的时间，当时他就设想，是否可以用这样的方法来确定光速，同时也想来确认一下在折射率更大的介质中，光速是否更大。
为什么要确认这个问题呢？因为早在十七世纪，笛卡儿曾经表明，根据光的微粒说的观点，光在密度高的透明介质中的速度应该比在空气中的快。
但是，根据光的波动说的观点，恰恰相反，光在这样的介质中应该走得慢些。
显而易见，用实验方法来测定光在这两种介质中的速度，并比较它们的大小，对确定光的微粒说正确还是光的波动说正确来说，是至关重要的。
所以惠斯通的思想方法是正确的，但是他没能完成。
这个思想后来被阿拉哥（D．F．Arago，1786～1853）采纳。
可是，由于阿拉哥的视力不佳，这一研究课题就留给了更年轻的人们去进行。
另一方面，如果采用这种方法来测定光速，由于要求镜子必须具有每秒转动一千多次的速率，所以在机械上的困难是很大的，在当时的社会技术条件下也难以完成。
与此同时，有些人还认为，人的眼睛要从具有如此巨大的速率转动着的镜子中，捕捉被反射的闪光的瞬时映像是不可能的。
正因为这样，当时人们把惠斯通的设想、阿拉哥的计划都视为幻想。
但是，随着时间的推延，用这样的基本方法来测定光速获得了成功，主要获胜者便是菲索和傅科。
菲索（A．H．L．Fizeau，1819～1896）是法国物理学家。
1819年9月23日出生于巴黎。
他早年的研究都与改进照相方法有关，并且先后研究过光的干涉、热膨胀等问题，发明过一种干涉仪。
他的早期研究活动大部分与傅科在一起。
于1896年9月18日在梵都尔去世。
菲索在研究和测量光速问题上做出了贡献，是第一个不用天文常数、不借助于天文观察来量度光速的人。
他发表了题为“关于光传播速度的一次实验”的论文，刊载于1849年出版的《法国科学院周报》第二十九卷上。
斐索采用旋转齿轮测量的办法。
他转动一个以规则的间隔遮挡光的齿轮，而间断性的闪光是来自于安装在一定距离的镜面的反射。
这个实验是在巴黎市郊的相距为8633米的絮伦（Suresnes）和蒙马特里（Montmartre）之间进行的。
经过二十八次的观察，得到光速的平均值为每秒70948里格．这个数值与当时天文学家公认的光速值只有较小的差别。
除此以外，菲索于1851年又做过关于以太和物质的相对运动的实验，后人称为斐索实验。
他认为，这个实验结果，证明透明介质内的以太，是被运动着的介质（当时用的是水）往前拖曳，但又不是全部被拖曳，其速度比介质的速度小。
这一实验，后来被迈克耳逊－－莫雷实验（1887年）所证实，并在二十世纪初由爱因斯坦对它重新作了解释。
差不多与菲索同时进行光速测定工作的便是傅科（J．B．L．Foucault，1819～1868）。
1819年9月18日他生于巴黎，最初研究过医学，但从1845年以后从事物理学的研究，与斐索是初期的合作者。
两人分手后，各自都进行着光速测定的研究工作。
在科学史上，傅科以其“傅科摆”的实验著称于世，他以这个实验验证了地球的自转。
实验先后进行过四次。
第一次是在他居住的楼阁下的两米高的地下室里做的。
一个重量为5公斤的黄钢球，用一根钢丝挂起来，这个球被一根线拉到一边，并固定在一个位置上，直到它完全静止下来，然后用火柴烧断这根线，使球自由地在一个垂直面内摆动。
在人的肉眼看来，摆动面是转动的。
但是理论指出，在给定的时间内，这个可见的转动角度是好于在同样的时间内，地球转过的整个角度乘以实验所在地的纬度角的正弦。
所以，球的摆动面的转动，证明了地球的转动。
这样，地球转动的事实在实验上明显地表现了出来。
为了进一步精确地验证这一点，需要更为合适的实验条件。
这样，阿拉哥便把能挂起十一米长的摆的天文台大楼提供给傅科使用。
由于得到拿破仑三世的赞助，第三次实验的地点选择在伟人祠，一个28公斤重的球，被一根67米长、1.4毫米粗的铁丝悬挂起来，伟人祠挤满了观众，来观看傅科的实验。
第四次实验是一次表演，在1855年的世界博览会上进行的。
通过这几次实验，都验证了地球本身是在转动着。
1852年，他还发明了奇妙的机械一—回转仪。
傅科的身体很瘦弱，有人曾说，似乎大自然要在傅科的体力和他的智力之间形成鲜明的对比，谁能料到天才人物会有这样虚弱的外表？1868年2月11日傅科在巴黎去世。
在光速测定的研究中，傅科是采用旋转平面镜的方法来测光速的。
经过一段时间的研究，于1850年5月6日向科学院报告了自己实验的结果，并发现光速在水中比在空气中小，证明了波动说的观点是正确的，它给光的微粒说带来了再一次的冲击。
这一研究工作是在他居住的阿萨斯街的楼阁里进行的。
他把它作为科学博土级的论文在1853年提出的，并刊载于1862年出版的《法国科学院周报》第五十五卷上，论文的题目为“光速的实验测定：太阳的视差”。
在论文中，傅科叙述了实验装置的改进和实验的结果。
他指出，所用的仪器与以前所说的仪器设有什么重大的区别，只是装了一套推动圆周屏幕移动的齿轮系统，以便准确量度镜的旋转速度。
此外，实验中所用的距离，也用几次反射的方法，使其距离从4米扩大到20米。
由于光通过的距离增长，对时间的量度更为准确，使他得到的结果也更好。
傅科指出，最后的结果，光的速度好像显然地比人们想象的速度要小，用旋转镜测得的光速为每秒大约29.8万公里。
接着他又分析这一结果的准确程度。
据他看来，该实验的误差，不应该超过500000米。
在这一条件下，傅科认为这一实验数值是正确的。
在菲索和傅科之后，又有不少科学家，采用并改进了前人的方法，继续测量光的传播速度。
主要有以下几位：法国的科尔尼（M．A．Cornu，1841～1902）采用菲索的方法，作了一些改进，于1874年在实验中把反射镜安装在23公里远的地方，测出的光速为每秒298500公里，而1878年又测得300400公里。
1880～1881年，英国的詹姆斯·杨（Oames Young）和乔治·福布斯（G．Forbes）测得的数值为每秒301382公里。
年轻的美国的迈克耳逊（A．A．Michelson，1852～1930）对测光速表现出极大的兴趣。
他继承了傅科的实验思想，于1878年在安纳波利斯海军学院的实验室进行初步的实验，1878年测得的数值为每秒299910公里。
1882年，他在俄亥俄州继续进行测量，针对傅科实验的主要困难是偏转太小、送回来的像的位移只有0.7毫米的弱点，进行改进，之后，使送回来的像的位移可达133毫米。
这样，他测得的结果为每秒299853公里。
在迈克耳逊的后半生，继续做了不少光速测定的实验。
1926年，在威尔逊山做实验，该山与作为远距离测量站的圣安东尼奥山相隔22英里，利用了八角形的转动镜，测得光速为每秒299796公里。
